考慮級配離析情況下燃燒爐法測定瀝青含量的研究

吳文亮， 趙 超， 田恒遼， 李 智

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

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考慮級配離析情況下燃燒爐法測定瀝青含量的研究

吳文亮， 趙 超， 田恒遼， 李 智

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

瀝青混合料中的瀝青含量直接影響瀝青混凝土路面的施工質(zhì)量，準(zhǔn)確、快速的測定瀝青路面的瀝青用量可以為施工控制提供科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而提高瀝青路面的施工質(zhì)量。從燃燒爐法測瀝青含量試驗結(jié)果的誤差角度出發(fā)，對現(xiàn)有的標(biāo)定過程提出改進(jìn)，并考慮取樣試驗時的級配離析情況對燃燒爐法測定瀝青含量的影響，建立油石比偏差與關(guān)鍵篩孔及分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)果表明：考慮級配離析對測定瀝青含量的影響是有必要的，同時可以通過關(guān)鍵篩孔及分形維數(shù)來對級配離析引起的油石比偏差進(jìn)行修正。

燃燒爐法； 瀝青含量； 級配離析； 油石比偏差； 關(guān)鍵篩孔； 分形維數(shù)

1 概述

瀝青用量是評價瀝青路面施工質(zhì)量的重要指標(biāo)，適宜的瀝青用量是形成瀝青混合料力學(xué)強(qiáng)度及避免瀝青路面快速老化的重要條件。在瀝青路面施工質(zhì)量評價體系與科學(xué)的瀝青路面施工支付體系中瀝青用量指標(biāo)占有很大比重。如何準(zhǔn)確、快速的測定瀝青路面的瀝青用量至關(guān)重要。

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTG E20-20011[1]中測定瀝青含量的方法有：離心式分離法、燃燒法、射線法。離心式分離法溶劑較貴，且對人體有害，礦粉易流失，測試精度不高。射線法測定結(jié)果受環(huán)境影響很大，且標(biāo)定程序較復(fù)雜。燃燒法測定瀝青混合料含量的優(yōu)點為測試精度高[2]、較為經(jīng)濟(jì)、無溶劑污染、無輻射等，因此國內(nèi)外瀝青含量試驗普遍采用的檢測方法為燃燒法[3，4]。

目前燃燒法測定瀝青含量的也存在一些問題。燃燒法顯示結(jié)果的誤差主要有溫度誤差及礦料損失誤差，因此需要標(biāo)定過程。目前規(guī)范中的標(biāo)定過程受瀝青混合料制拌過程中瀝青的損失等的影響，標(biāo)定結(jié)果不夠準(zhǔn)確。試驗檢測過程存在現(xiàn)場取料及燃燒取料時級配離析的影響，在瀝青混合料取樣時，若細(xì)集料偏多，則檢測瀝青含量數(shù)據(jù)會偏高，若粗集料偏多，則測定瀝青含量數(shù)據(jù)偏小[5]。本文將通過試驗尋找更合理的燃燒法標(biāo)定過程，同時分別建立關(guān)鍵篩孔和分形維數(shù)與試驗結(jié)果的相關(guān)關(guān)系，從而進(jìn)行考慮離析情況下燃燒法測定瀝青含量的研究。

2 燃燒爐法標(biāo)定方法研究

燃燒爐法測瀝青含量的原理：通過在燃燒爐的高溫環(huán)境(538 ℃)下瀝青混合料中的瀝青燃燒，直至連續(xù)3 min試樣質(zhì)量每分鐘損失率小于0.01%，燃燒爐自動停止，燃燒爐自帶的稱量系統(tǒng)將測得燃燒過程質(zhì)量的損失，從而計算瀝青含量。燃燒法顯示的質(zhì)量損失除了燃燒掉的瀝青外，還包括： ①燃燒后538 ℃的高溫下測得的物體質(zhì)量的損失，這是因為同一物體在溫度變化時測得重量是不同的； ②在高溫環(huán)境下集料含有的有機(jī)物燃燒掉引起的質(zhì)量損失。其中由于高溫下測得的物體質(zhì)量損失燃燒爐可以通過溫度及稱量系統(tǒng)測得，顯示溫度補(bǔ)償。故標(biāo)定過程為測礦物燃燒損失。

2003年毛菊良等研究了燃燒法測瀝青含量標(biāo)定過程，建立了顯示油石比與真實油石比的線性相關(guān)關(guān)系，從而降低了攪拌過程瀝青損失[6]。本文將研究兩種新的燃燒法標(biāo)定方法： ①僅燃燒礦料； ②在底盤上拌合瀝青與礦料，再分裝到試樣籃。這2種方法直接避免了攪拌過程中瀝青的損失。

2.1 燃燒法選用的試驗設(shè)備及材料

試驗設(shè)備包括：燃燒爐(NCAT Asphalt Content Tester)、試樣籃、刮刀等。

本次研究采用AC-16瀝青混合料作為研究對象，集料選用的是玄武巖，填料礦粉為石灰?guī)r。瀝青采用SBS(I-D)(PG76-22)改性瀝青。經(jīng)檢驗所用材料均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004中的要求。油石比為4.9，礦料級配情況見表1。

2.2 2種標(biāo)定方法的對比

2.2.1 僅燃燒礦料

稱取篩分好的礦料2 000 g置于試樣籃中，將其直接放到燃燒爐中燃燒。燃燒結(jié)果見表2。

2.2.2 加入瀝青并在底盤攪拌

在盛有熱礦料的底盤上直接倒油石比為4.9%的熱瀝青，并迅速用鏟刀做適當(dāng)攪拌，然后分剩到試樣籃里，最后連同鏟刀與底盤一起放到燃燒爐中燃燒，這樣整個過程就沒有瀝青損失。攪拌后的混合料圖如圖1所示。

表1 AC-16瀝青混合料礦料級配Table1 AC-16bituminousmixtureaggregategradation篩孔/mm通過率/%篩孔/mm通過率/%161001.1835.013.291.00.627.09.580.00.318.04.7563.00.1514.02.3649.00.0758.0

表2 僅燃燒礦料質(zhì)量損失Table2 Thequalitylossonlyburningthemineralaggregate序號燃燒前重/g顯示損失/g溫度補(bǔ)償/%礦物損失率/%礦物損失平均值/%12000.04.40.130.0921999.04.60.130.100.10

圖1 在底盤上攪拌后的瀝青與礦料Figure 1 The asphalt and mineral aggregate mixed on base plate

由于在室溫下攪拌，攪拌效果一般，但也相對均勻。燃燒結(jié)果見表3。

表3 加入瀝青并攪拌后燃燒的礦料質(zhì)量損失Table3 Thequalitylossofmineralaggregateaddedasphaltandmixed序號燃燒前重a/g瀝青重b/g顯示損失c/g溫度補(bǔ)償t/%礦物損失率q/%礦物損失率平均值11999.599.5106.90.130.2322000.099.0104.90.110.210.22

在試驗中觀察，僅燃燒礦料的試驗中燃燒爐的溫度始終保持在538 ℃。而加入瀝青并攪拌的燃燒試驗中，由于瀝青的燃燒會造成燃燒爐內(nèi)溫度的升高，將使礦料中有機(jī)物更充分的燃燒。所以推薦使用加入瀝青并在底盤攪拌的方法來標(biāo)定燃燒法測瀝青含量。最后，選定此種混合料的礦料損失誤差修正值為0.22%。

3 燃燒法測瀝青含量試驗

拌合10 kg的上述級配及油石比的瀝青混合料，拌合試樣前，先用高于目標(biāo)油石比0.5%的油石比拌制一份混合料以達(dá)到洗鍋的目的。拌合好后每次稱取2 000 g左右試樣進(jìn)行燃燒試驗，同時將剩余混合料置于150 ℃烘箱內(nèi)保溫。在取樣進(jìn)行燃燒試驗時，部分燃燒試驗刻意多取粗集料，部分燃燒試驗刻意多取細(xì)集料，已達(dá)到模擬級配離析的效果。燃燒法測得的油石比見表4。

表4 燃燒爐法測得的油石比Table4 Theasphalt-aggregateratiomeasuredbycombustionfurnacemethod序號混合料重a1/g顯示損失c/g顯示瀝青用量/%溫度補(bǔ)償t/%燃燒后礦物重m/g計算瀝青用量b1/g計算油石比P/%油石比偏差P*/%12000108.55.430.111893102.135.380.4822000103.65.180.151895.596.425.070.1732001964.80.131903.589.24.67-0.2342001105.35.260.151898.598.115.160.265200098.64.930.11906.592.404.84-0.06

表4中各參數(shù)的關(guān)系如下：

b1=c-t×a1-m×(1+0.002 2)×0.002 2；

P*=P-4.9。

這就是標(biāo)定的過程，其中P*就是級配離析引起的油石比誤差。將燃燒后的礦料再經(jīng)水洗和篩分，得到燃燒后的礦料級配，燃燒后的礦料級配結(jié)果見表5。

表5 燃燒后的礦料級配Table5 Themineralaggregategradationafterthemixburned序號通過下列尺寸(mm)的百分率/%1613.29.64.752.36110094.885.067.753.1210091.681.565.150.5310090.172.956.944.8410092.384.266.251.1510089.075.657.446.9通過下列尺寸(mm)的百分率/%1.180.60.30.150.07537.329.921.717.011.735.728.520.615.910.831.926.018.814.29.735.828.520.215.39.733.326.819.414.810.1

4 建立油石比偏差與關(guān)鍵篩孔之間的相關(guān)

關(guān)系

用最小二乘法分別建立4.75、2.36、1.18 mm共3個篩孔的通過率與油石比偏差之間的相關(guān)關(guān)系(見圖2)。

① 油石比偏差—4.75 mm篩孔通過率回歸方程：y=0.051 54x-3.106 1(r2=0.898 04)；

② 油石比偏差—2.36 mm篩孔通過率回歸方程：y=0.082 09x-3.922 9(r2=0.979 34)；

③ 油石比偏差—1.18 mm篩孔通過率回歸方程：y=0.126 1x-4.266 2(r2=0.975 37)。

從3個回歸方程的相關(guān)系數(shù)來看，油石比偏差與2.36 mm篩孔通過率的相關(guān)系數(shù)最大，4.75、2.36，1.18 mm篩孔通過率與油石比偏差擬合曲線分別見圖2(a，b，c)。因此宜選擇2.36 mm篩孔作為關(guān)鍵篩孔來考慮級配離析引起的油石比偏差。

圖2 油石比偏差—關(guān)鍵篩孔通過率Figure 2 Asphalt-aggregate ratio error—The through rate of key sieve

5 建立油石比偏差與分形維數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系

分形理論是定量描述幾何形體復(fù)雜程度及空間填充能力的一門新興邊緣科學(xué)。對于材料學(xué)中常出現(xiàn)的粗糙不光滑、凸凹不圓潤、破碎不連續(xù)的無序系統(tǒng)等傳統(tǒng)歐式幾何無法準(zhǔn)確描述的現(xiàn)象或本質(zhì)，具有極大的優(yōu)越性。它的兩個基本特性是自相似性和分形維數(shù)，分形維數(shù)簡稱為分維，其變化是連續(xù)的，它定量描述了分形結(jié)構(gòu)自相似程度、不規(guī)則程度或破碎程度。

5.1 集料分形維數(shù)的計算

集料生產(chǎn)過程中巖石破碎的物理過程十分復(fù)雜，呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性和不規(guī)則性，但其尺度具有不變性。不論是大的巖石破碎成小的巖石，還是小的巖石破碎成更小的巖石，其動力學(xué)機(jī)制是一樣的，顆粒粒徑的分布是分形的，可用分形維數(shù)度量[7]。

連續(xù)集料粒徑質(zhì)量分形特征函數(shù)P(r)[8，9]：

式中：rmin為最小粒徑尺寸；D為連續(xù)集料粒徑質(zhì)量分布分形維數(shù)；r為集料中某種顆粒的篩孔尺寸；rmax為最大粒徑尺寸。

分形維數(shù)D的計算方法[10]為：在lg(r/rmax)和lg(P(r))的雙對數(shù)坐標(biāo)圖上，利用最小二乘法對級配曲線進(jìn)行最佳曲線擬合，求得斜率λ，再利用3-D=λ，求得瀝青混合料集料粒徑分布的分形維數(shù)維D。用最小二乘法算得的各篩分級配的分形維數(shù)見表6。

表6 礦料級配的分形維數(shù)Table6 Thefractaldimensionofmineralaggregategradation序號參數(shù)λD10.3962.60420.4062.59430.4182.58240.4042.59650.4102.590

5.2 建立油石比偏差與分形維數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系

用最小二乘法建立油石比偏差與分形維數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。

油石比偏差—分形維數(shù)回歸方程：

y=0.051 54x-3.106 1(r2=0.988 15)。

從相關(guān)系數(shù)及擬合曲線(見圖3)可以看出：油石比偏差與分形維數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系也比較好。

圖3 油石比偏差—分形維數(shù)Figure 3 Asphalt-aggregate ratio error—fractal dimension

6 考慮級配離析情況下燃燒爐測瀝青含量的應(yīng)用

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》 JTG E20-2011 中T0735-2011燃燒爐法試驗，允許2.36 mm篩孔通過率出現(xiàn)±5%。然而從油石比偏差—2.36篩孔通過率相關(guān)關(guān)系圖(見圖2)中可以看出當(dāng)2.36 mm篩孔通過率超過5%的誤差時所測得的油石比誤差的約為0.4。可見級配離析產(chǎn)生的油石比誤差是比較大的。因此，用燃燒法測瀝青含量時，考慮級配離析對瀝青含量的影響是非常有必要的。

從前面建立的回歸方程及其相關(guān)系數(shù)顯示，油石比偏差與關(guān)鍵篩孔通過率及分形維數(shù)的相關(guān)性較好，因此用關(guān)鍵篩孔通過率或分形維數(shù)來考慮級配離析油石比誤差是可行的。

考慮級配離析情況下燃燒爐法測瀝青含量的應(yīng)用： ①先進(jìn)行標(biāo)定試驗，檢測礦料在燃燒爐里的損失率； ②配置10 kg以上的目標(biāo)油石比的混合料，至少做5組燃燒試驗，然后分別建立油石比偏差與關(guān)鍵篩孔及分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系，選出相關(guān)系數(shù)最好的回歸方程； ③取路面混合料進(jìn)行燃燒試驗，檢測路面瀝青混合料的瀝青含量，并用①中得到的損失率對顯示瀝青含量進(jìn)行修正，最后根據(jù)水洗篩分情況及②中建立的回歸方程，對油石比進(jìn)行級配離析修正。經(jīng)2次修正后的油石比結(jié)果能較準(zhǔn)確的反映路面瀝青混合料真實的瀝青用量情況，從而為控制瀝青路面施工質(zhì)量提供依據(jù)，進(jìn)而提高瀝青路面施工質(zhì)量。

7 結(jié)論

本文的研究旨在提高燃燒爐法測瀝青含量的準(zhǔn)確性。從兩個方面對現(xiàn)有燃燒爐法測瀝青含量進(jìn)行了修正：

① 分析了燃燒爐法測瀝青含量的誤差來源，在標(biāo)定計算過程中分別對高溫誤差及集料燃燒損失誤差來源進(jìn)行修正，并改進(jìn)試驗避免了原標(biāo)定過程中瀝青的攪拌損失。

② 考慮級配離析對燃燒爐測瀝青含量的影響。采用關(guān)鍵篩孔通過率及分形維數(shù)來對級配離析引起的油石比偏差進(jìn)行修正。

最后，本文提出了考慮級配離析情況下燃燒爐法測瀝青含量的應(yīng)用方法。通過考慮級配離析對燃燒爐測瀝青含量的影響將提高燃燒爐法測量瀝青含量的準(zhǔn)確性，從而為瀝青路面施工質(zhì)量評價體系及科學(xué)的支付方式提供有力的支撐。

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Study on Combustion Furnace Method to Test Asphalt Content Considering The Aggregate Segregation

WU Wen-liang， ZHAO Chao， TIAN Heng-liao， LI Zhi

(School of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510640， China)

The asphalt content in asphalt mixture directly affect the quality of asphalt concrete pavement construction.Testing asphalt content in asphalt pavement accurately and rapidly can provide scientific and accurate data for construction control，so as to improve the quality of the asphalt pavement construction.From the experimental error of combustion furnace method to test asphalt content，the article improved the existing calibration process，considered how the gradation segregation which occurred in taking samples effected the result of combustion furnace method ，and respectively established correlations among asphalt-aggregate ratio，key sieve and fractal dimension.The results show that it is necessary to considering the influence of gradation segregation when testing asphalt content，and it is useful to correct the asphalt-aggregate ratio error which was caused by gradation segregation through key sieve and fractal dimension.

combustion furnace method； asphalt content； gradation segregation； asphalt-aggregate ratio error； key sieve； fractal dimension

2016 — 03 — 14

廣東省交通運(yùn)輸廳科技項目(2012-01-001)

吳文亮(1981 — )，男，黑龍江雞西人,副教授，博士，主要從事瀝青路面研究。E-mail：ctwlwu@scut.edu.cn.

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0092 — 05